順層長鉆孔超高壓水力割縫設(shè)備及技術(shù)研究

左小康，邢玉忠

(太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030024)

我國的煤層大部分為低滲透煤層，瓦斯抽采困難，因此尋求一種快速卸壓增透的措施是大多數(shù)低滲透煤層開采所面臨的難題[1，2]。近年來，隨著高壓水射流技術(shù)的發(fā)展，利用高壓水在已施工的鉆孔中對煤體割縫、鉆擴(kuò)孔等方法有一定的成效[3-7]。雖然通過水力割縫技術(shù)形成鉆孔直徑較大，增加了抽放效果，能夠起到煤層卸壓增透的效果[8，9]，但分析不難發(fā)現(xiàn)，目前水力沖孔壓力一般在3～20MPa、高壓水力割縫壓力30～60MPa，低壓擴(kuò)孔后半徑200～400mm、高壓水力割縫深度500～800mm左右，同一鉆孔采取措施相對單一，且需要鉆孔施工完成后退出鉆桿再進(jìn)行擴(kuò)孔、割縫，還不能實(shí)現(xiàn)不退鉆桿邊鉆進(jìn)、邊割縫的功能，未形成系統(tǒng)的水力化措施體系；同時(shí)在研究解決鉆孔排渣問題上明顯存在不足，而排渣效果好壞直接影響到成孔長度、抽采效率以及該工藝的推廣應(yīng)用。

高河煤礦3#煤煤質(zhì)松軟、瓦斯含量高，鉆孔施工量大，抽采效率低，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長，嚴(yán)重制約了礦井采掘接替。因此，為保證+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷安全、快速掘進(jìn)，尋求一種快速卸壓增透的措施是礦井當(dāng)前面臨難題。基于此，在高河礦3#煤層+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷掘進(jìn)工作面進(jìn)行超高壓水力割縫，以期能夠縮短瓦斯治理時(shí)間、提高煤層透氣性，并為后續(xù)開采提供重要的技術(shù)參數(shù)。

1 工程概況

高河井田位于長治市以西約4km處，其+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷設(shè)計(jì)長5958m，現(xiàn)已施工2962m。+450m北進(jìn)風(fēng)大巷巷道斷面形狀為矩形，凈寬5.0m，凈高3.7m，凈斷面積8.5m2。北進(jìn)風(fēng)大巷掘進(jìn)過程中單個(gè)循環(huán)最大落煤瓦斯涌出量為1.0m3/min，煤壁每百米瓦斯涌出量為0.6m3/min。安裝四臺(tái)FBDNo7.1型局部通風(fēng)機(jī)，功率為2×45kW，單臺(tái)供風(fēng)量為850～400m3/min，風(fēng)壓為800～7000Pa。風(fēng)筒采用兩路高強(qiáng)阻燃風(fēng)筒供風(fēng)，主風(fēng)筒為Φ1000mm，副風(fēng)筒為Φ1000mm。

2 GF-100型超高壓水力割縫技術(shù)及裝備

2.1 裝置結(jié)構(gòu)及原理

1)裝置結(jié)構(gòu)。結(jié)合高河煤礦試驗(yàn)區(qū)條件，研究選用適用于礦井3#煤特征的GF-100型超高壓水力割縫裝置，主要由金剛石復(fù)合片鉆頭、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、超高壓旋轉(zhuǎn)水尾、超高壓清水泵、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、超高壓軟管等組成。裝置主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2)工作原理。高壓旋轉(zhuǎn)水射流割縫增加了煤體暴露面積，給煤層內(nèi)部卸壓、瓦斯釋放和流動(dòng)創(chuàng)造了良好的條件，縫槽上下的煤體在一定范圍內(nèi)得到較充分的卸壓，增大了煤層的透氣性[10]。縫槽在地壓的作用下，周圍煤體產(chǎn)生空間移動(dòng)，擴(kuò)大了縫槽卸壓、排瓦斯范圍。在高壓旋轉(zhuǎn)水射流的切割、沖擊作用下，鉆孔周圍一部分煤體被高壓水擊落沖走，形成扁平縫槽空間，增加了煤體中的裂隙，可大大改善煤層中的瓦斯流動(dòng)狀態(tài)[11，12]，為瓦斯排放創(chuàng)造有利條件，改變了煤體的原始應(yīng)力和裂隙狀況，緩和煤體和圍巖中的應(yīng)力緊張狀態(tài)，既可削弱或消除突出的動(dòng)力，又可提高煤層的強(qiáng)度，起到防突作用，并提高透氣性和瓦斯釋放能力。超高壓水力割縫工藝系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 超高壓水力割縫工藝示意圖

2.2 裝置適用范圍

GF-100型超高壓水力割縫裝置裝備適用于高地應(yīng)力、高瓦斯、低透氣性煤層(煤層硬度f>0.5)工作面順層鉆孔、穿層鉆孔及石門揭煤卸壓增透、沖擊地壓防治等，順層鉆孔割縫深度80～100m，穿層鉆孔割縫深度80～100m。

2.3 裝置性能指標(biāo)和技術(shù)特點(diǎn)

1)性能指標(biāo)：①切割半徑可達(dá)1500～2000mm；②切割縫隙寬度可達(dá)6～10mm；③系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程壓力輸送能力，其輸送距離為80～200m。

2)裝置技術(shù)特點(diǎn)：①該裝置操作簡便、實(shí)用、效率高、工藝流程時(shí)間短；②采用的超高壓清水泵體積小，便于井下安放；③割縫鉆桿采用雙密封，鉆桿、水尾及高壓膠管承壓100MPa以上；④該裝備能解決順層鉆孔水力割縫增透的問題；⑤割縫半徑可達(dá)1500～2000mm，減少鉆孔工程量，縮短抽采時(shí)間。

3 技術(shù)可行性分析及實(shí)施方案

3.1 技術(shù)可行性分析

通過對高河煤礦的相關(guān)基礎(chǔ)資料的分析可知，3煤層最大瓦斯含量為16.03m3/t，原煤殘存瓦斯含量為2.39m3/t，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1833～0.4389d-1、透氣性系數(shù)為0.0001597～0.2621m2/(MPa2·d)。同時(shí)根據(jù)高河煤礦抽采經(jīng)驗(yàn)可知3#煤層抽采3個(gè)月的平均百米鉆孔抽放量約為0.1392m3/min，兩年里3#煤平均百米鉆孔抽放量約為0.0146m3/min，3#煤瓦斯放散初速度ΔP為12～13，3#煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.38～0.43，3#煤的視密度為1.33t/m3，孔隙率為6.738%。

+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷所處3#煤煤質(zhì)松軟、瓦斯含量高，鉆孔施工量大，抽采效率低，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長，嚴(yán)重制約了礦井采掘接替。因此，為了提高順層鉆孔瓦斯抽采效率，縮短瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間，保證+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷安全、快速掘進(jìn)，在+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷掘進(jìn)工作面迎頭進(jìn)行順層鉆孔超高壓水力割縫增透試驗(yàn)研究。

從試驗(yàn)區(qū)煤層硬度分析，正常情況下煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.38～0.43，采用水力排渣施工順層長鉆孔具有可行性，礦井在順層長鉆孔采用水力排渣施工鉆孔最大可達(dá)150m，故采用水力排渣施工順層長鉆孔進(jìn)行水力割縫具有可行性。從順層長鉆孔設(shè)計(jì)施工角度分析，在+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷掘進(jìn)工作面迎頭向前施工順層長鉆孔，鉆孔傾角在+1°～+1.5°之間，超高壓水力割縫下向孔排渣相對困難，小角度水平孔在螺旋鉆桿和水的作用下，割縫排渣亦具有可行性。

綜上分析，高河煤礦3#煤整體硬度0.38～0.43，煤層順層長鉆孔設(shè)計(jì)施工為近水平鉆孔，試驗(yàn)區(qū)客觀上具備高壓水鉆進(jìn)、割縫一體化的條件。

對照組患者采用傳統(tǒng)固定方法。取仰臥位給予脊柱損傷患者全身麻醉處理,以經(jīng)椎弓根中心點(diǎn)為切點(diǎn)進(jìn)行縱向切開,暴露出患者皮下深筋膜,切開之后進(jìn)行電凝止血處理。然后通過正位X線透視觀察患者骨折位置,確定克氏針進(jìn)針方向,結(jié)合脊柱損傷患者受傷位置調(diào)整進(jìn)針位置與進(jìn)針方向,方便固定治療。

3.2 試驗(yàn)割縫鉆孔設(shè)計(jì)

+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷沿3#煤掘進(jìn)，煤層厚度6.41m，大巷凈寬5.0m，凈高3.7m，凈斷面積8.5m2。設(shè)計(jì)長5958m，現(xiàn)已施工2962m。+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷掘進(jìn)前在迎頭布置掘前預(yù)抽鉆孔，鉆孔分為雙排三花眼布置兩幫鉆孔控制巷道外輪廓15m范圍。鉆孔設(shè)計(jì)深度150m；迎頭分上下兩層各打六個(gè)鉆孔，兩層鉆孔開口位置距底板高度分別為2.0m、2.5m，兩邊鉆孔與巷道中線夾角為2°，中間四列鉆孔垂直巷道斷面施工，鉆孔仰角均為1°～1.5°；鉆孔直徑均為Φ94mm，孔口擴(kuò)孔深度17m，擴(kuò)孔直徑為Φ133mm。由于3煤層原始瓦斯含量高、煤層透氣性低，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間較長，制約礦井采掘接替，為了加快+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷掘進(jìn)速度，因此選擇在+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷進(jìn)行超高壓水力割縫試驗(yàn)。針對目前+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷已施工的順層抽采鉆孔，直接進(jìn)行水力割縫二次增透。

結(jié)合礦方瓦斯預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)施工實(shí)際情況，在+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷已施工的順層長鉆孔中，拆除現(xiàn)有封孔裝置后對所有鉆孔直接進(jìn)行水力割縫，割縫間距3m左右一刀，每個(gè)鉆孔割縫40刀左右，留20m超前距，如圖2所示。

圖2 順層長鉆孔水力割縫鉆孔設(shè)計(jì)斷面圖(mm)

3.3 實(shí)施流程

1)依次連接鉆頭(Φ113mm)、高低壓轉(zhuǎn)換割縫器、水力割縫淺螺旋整體鉆桿、利用礦方正常鉆進(jìn)的普通水尾及低壓水管路，按割縫鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)施工至設(shè)計(jì)深度。要求對所有超高壓鉆桿連接前進(jìn)行內(nèi)外沖洗并確保鉆桿內(nèi)無煤屑等殘留物。

2)根據(jù)煤孔段長度，按3m割一刀，計(jì)算該鉆孔所需割縫刀數(shù)，割縫至距離孔口20m。

3)將高低壓轉(zhuǎn)換割縫器停在指定割縫位置，關(guān)閉靜壓水，換接超高壓旋轉(zhuǎn)接頭，連接超高壓管路，不相關(guān)人員撤離至警戒線外。再次檢查確認(rèn)施工環(huán)境及設(shè)備安全后，先開啟鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿以適當(dāng)速度旋轉(zhuǎn)，然后再開啟超高壓清水泵，首次啟動(dòng)空載2～3min以上，待孔口返水后，通過調(diào)壓閥，泵壓由低到高緩慢、勻速增壓：10MPa→15MPa→20MPa→30MPa→50MPa→80MPa→90MPa→100MPa，水經(jīng)過超高壓軟管進(jìn)入鉆桿內(nèi)，最后從高低壓轉(zhuǎn)換器上的噴嘴射出，對煤層周邊煤體進(jìn)行切割，每刀割縫時(shí)間為2～5min。

4)割縫過程中若遇堵孔、憋孔現(xiàn)象，先緩慢將高壓泵壓力降低至10～15MPa，低壓沖洗2～3min，待孔口返水正常后在緩慢調(diào)壓至100MPa，繼續(xù)割縫作業(yè)。割縫過程若遇噴孔或瓦斯超限現(xiàn)象，立即停止作業(yè)，分析噴孔或瓦斯超限原因，處理完成并恢復(fù)正常后方可繼續(xù)割縫作業(yè)。

5)切割一刀結(jié)束后，先將超高壓清水泵泵壓回零，在關(guān)閉超高壓清水泵，開啟鉆機(jī)，撤卸3根鉆桿，重新連接超高壓旋轉(zhuǎn)接頭及超高壓管路，再次開啟超高壓清水泵，控制調(diào)壓螺母，將泵壓緩慢、勻速增加至100MPa，繼續(xù)進(jìn)行割縫作業(yè)。

6)重復(fù)上述3、4、5步驟，完成預(yù)計(jì)割縫刀數(shù)。

7)鉆孔割縫完成后，孔內(nèi)返水正常且無憋孔、堵孔等異?，F(xiàn)象，先將超高壓清水泵泵壓緩慢回零，再關(guān)閉超高壓清水泵，切斷電源，撤卸鉆桿并堆放整齊，高低壓轉(zhuǎn)換器、金剛石水力割縫鉆頭、超高壓旋轉(zhuǎn)接頭妥善保管。

4 效果考察

在前期對1#鉆孔進(jìn)行水力割縫后，再進(jìn)行水力割縫效果初步考察，采用打觀測孔的方法來測定割縫孔的影響半徑，如圖3所示。其中，1#為水力割縫孔，2#、3#、4#為普通順層抽采鉆孔，作為測試孔，然后再施工一個(gè)單獨(dú)觀察孔，使其不在抽采鉆孔和割縫孔抽采半徑范圍。以單獨(dú)觀測孔的瓦斯流量為標(biāo)準(zhǔn)，超過單獨(dú)觀測孔流量10%即認(rèn)為割縫孔對抽采孔的瓦斯流量有影響。

圖3 割縫孔影響半徑考察施工圖

瓦斯流量如圖4所示。由圖4可以看出，在1#孔進(jìn)行水力割縫后，2#、3#、4#孔的瓦斯流量均處于10%標(biāo)準(zhǔn)線上方，4#測試孔與10%標(biāo)準(zhǔn)線差距較小，因此可以認(rèn)為水力割縫孔的影響半徑為2.4m，在普通鉆孔以往的抽采數(shù)據(jù)中可知普通順層鉆孔的抽采半徑為1.3m左右，由此可以推算出實(shí)行水力割縫技術(shù)可以減少近50%的施工量。

同時(shí)對1#割縫孔和在抽采影響半徑外的5#順層抽采孔的瓦斯流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，1#割縫孔的最大瓦斯流量為0.68m3/min，抽采26d后的瓦斯流量為0.29m3/min；5#鉆孔開始時(shí)的鉆孔瓦斯流量為0.36m3/min，在抽采26d后的瓦斯流量為0.08m3/min。通過割縫孔和普通抽采鉆孔瓦斯流量對比可以發(fā)現(xiàn)，水力割縫可以使得單孔瓦斯抽采量提高1.8～3.6倍，從而大大提高了瓦斯抽采效率。

圖5 瓦斯流量對比圖

5 結(jié) 論

1)研發(fā)了GF-100型超高壓水力割縫裝置，割縫半徑大，輸送距離遠(yuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)工作壓力達(dá)到100MPa的超高壓水力鉆割，有效地解決了順層鉆孔水力割縫增透的問題，減少鉆孔工程量，縮短抽采時(shí)間。

2)高河煤礦3#煤煤層順層長鉆孔設(shè)計(jì)施工為近水平鉆孔，試驗(yàn)區(qū)客觀上具備高壓水鉆進(jìn)、割縫一體化的條件，因此可以在+450m水平北翼進(jìn)風(fēng)大巷已施工的順層抽采鉆孔基礎(chǔ)上，直接進(jìn)行水力割縫二次增透。

3)通過對實(shí)施水力割縫后的效果考察，發(fā)現(xiàn)水力割縫孔的抽采影響范圍為2.4m，實(shí)行水力割縫技術(shù)可以減少近50%的施工量，并且通過水力割縫增透措施可以使得單孔瓦斯流量提高1.8～3.6倍，有效地提高了瓦斯抽采效率，對低滲透煤層瓦斯抽采具有重要意義。